階梯鉆鉆削Ti6Al4V過程的切削力與殘余應(yīng)力仿真分析

王明海，張健，王奔，鄭耀輝，劉標(biāo)，董志

1沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室；3中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司；4空裝駐沈陽(yáng)地區(qū)第一軍事代表室

1 引言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗高溫和抗腐蝕能力強(qiáng)、可加工性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于航空航天制造領(lǐng)域。但是，相對(duì)于其他金屬，Ti6Al4V鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較低且彈性模量較小，容易在鉆削加工過程中出現(xiàn)回彈和切削振動(dòng)的現(xiàn)象，使其成為典型的難加工材料之一。而且金屬鉆削涉及眾多復(fù)雜過程，是高應(yīng)變、高非線性的加工過程，要得到多組試驗(yàn)參數(shù)，僅憑傳統(tǒng)試驗(yàn)，耗時(shí)耗力。

為了解決鈦合金加工過程中軸向力大、突變和殘余應(yīng)力水平高的問題，對(duì)鈦合金切削過程采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行模擬仿真分析，對(duì)比普通麻花鉆和階梯鉆鉆削Ti6Al4V鈦合金的軸向力和應(yīng)力分布；采用單一變量法研究階梯鉆的臺(tái)階角度和第一級(jí)鉆頭直徑對(duì)軸向力和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，獲得階梯鉆的最佳階梯角角度和第一鉆頭直徑；分析切削過程中的軸向力-時(shí)間變化曲線、應(yīng)力-距離分布曲線和殘余應(yīng)力分布情況，為鈦合金鉆削工藝的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)[2，3]。

目前針對(duì)鈦合金切削仿真的研究較多，史寅棟等[4]通過ABAQUS軟件對(duì)鉆削TC17鈦合金時(shí)刀尖和切屑的最大應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，Zhenzhong He[5]還對(duì)鋸齒狀切屑的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：切屑的鋸齒狀程度與刀具的切削速度和進(jìn)給量成正比，與刀具的切削角度成反比。Yungchang Yen等[6]通過有限元分析(FEA)對(duì)刀具與切屑、刀具與工件之間的磨損進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，而且上述模型還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)切削溫度的合理預(yù)測(cè)；陳國(guó)三等[7]通過ABAQUS有限元分析軟件對(duì)TC4鈦合金銑削過程進(jìn)行三維仿真，得到了切削溫度的分布情況以及切削力和切削應(yīng)變應(yīng)力的曲線圖和分布云圖，并通過試驗(yàn)證明了切削模型的正確性。H.B.Wu等[8]通過綜合考慮熱-力耦合、材料損傷和動(dòng)態(tài)效應(yīng)等準(zhǔn)則規(guī)律，針對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行ABAQUS有限元分析，提出采用J-C本構(gòu)模型作為切屑的分離準(zhǔn)則，并將試驗(yàn)驗(yàn)證得到的切削力、切削溫度等參數(shù)與仿真結(jié)果對(duì)比，誤差在準(zhǔn)許范圍內(nèi)。

2 建立三維切削模型

2.1 建立幾何模型

幾何模型包括刀具和Ti6Al4V工件兩部分。普通麻花鉆刀具直徑為6.5mm，階梯鉆刀具的第一階梯直徑為3.4mm，第二階梯直徑為6.5mm，兩種刀具的材料均為硬質(zhì)合金；Ti6Al4V工件的尺寸為40mm×40mm×10mm，詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 鈦合金工件和刀具的力學(xué)參數(shù)

2.2 賦予材料屬性

鈦合金切削部分采用剪切失效準(zhǔn)則。材料模型使用J-C本構(gòu)模型，表達(dá)式為

(1)

Ti6Al4V鈦合金的J-C本構(gòu)模型參數(shù)見表2。

表2 鈦合金的J-C本構(gòu)模型

2.3 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格能夠在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，節(jié)省大量的運(yùn)算時(shí)間。對(duì)工件進(jìn)行全局布種，密度為0.7，為切削區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，布種密度為0.25，采用八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元C3D8R，默認(rèn)使用減縮積分和沙漏控制[9]；對(duì)硬質(zhì)合金刀具采用全局布種，密度為0.7，采用十結(jié)點(diǎn)修正二次四面體單元C3D10M。

2.4 相互作用及邊界條件設(shè)定

刀具與工件之間的摩擦符合庫(kù)侖定律，力學(xué)約束采用罰接觸方法，摩擦系數(shù)為0.2；假設(shè)刀具為剛體；根據(jù)實(shí)際加工條件，對(duì)Ti6Al4V工件的四周添加固定約束，在刀具刀尖圓心部分設(shè)置參考點(diǎn)并為其賦予進(jìn)給速度V3和轉(zhuǎn)速VR3。得到的模型見圖1。

圖1 模型裝配

3 仿真結(jié)果及分析

圖2為普通麻花鉆和臺(tái)階角度為90°的階梯鉆鉆出階段的應(yīng)力云圖，可見，應(yīng)力變化主要集中于第一變形區(qū)域，隨著刀具的擠壓作用和剪切作用，應(yīng)力場(chǎng)向四周擴(kuò)散，趨于穩(wěn)定。雖然在刀具和工件之間會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但普通麻花鉆加工后工件的殘余應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于階梯鉆。

(a)麻花鉆

鈦合金工件在切削過程中極易產(chǎn)生鋸齒狀切屑，導(dǎo)致軸向力的曲線出現(xiàn)急劇大幅度波動(dòng)，圖3給出了兩種刀具在鉆削過程的軸向力對(duì)比，可見，90°階梯鉆的鉆削軸向力明顯小于麻花鉆。這是由于第一級(jí)鉆頭加工完成的孔起到了預(yù)制孔的作用，預(yù)制孔能夠緩解橫刃對(duì)軸向力的影響，而且部分切屑從“預(yù)制孔”中排出，緩解了切屑與工件之間的摩擦，降低了整體軸向力水平。

圖3 麻花鉆和90°臺(tái)階角度階梯鉆鉆削軸向力

在此基礎(chǔ)上，采用單一變量法分別對(duì)階梯角度為60°，90°，130°，180°的階梯鉆進(jìn)行有限元分析，圖4和圖5分別為不同臺(tái)階角度的階梯鉆在鉆中和鉆出階段的Mises應(yīng)力云圖，圖6為不同臺(tái)階角度的階梯鉆的軸向力曲線?？梢钥闯?，在鉆中階段，即第二級(jí)鉆頭剛接觸工件時(shí)，不同臺(tái)階角度產(chǎn)生的應(yīng)力值差別不大；在鉆出階段可以明顯看出，隨著階梯角度的變大，最大殘余應(yīng)力值隨之升高，工件的殘余應(yīng)力分布愈加明顯。

圖6 四種不同臺(tái)階角度的軸向力曲線

由圖7可以看出，臺(tái)階角度為60°，90°，130°的階梯鉆軸向力變化程度較為平緩，但臺(tái)階角度為180°的階梯鉆軸向力突變較為劇烈。臺(tái)階角度為180°時(shí)，階梯鉆的軸向力在A點(diǎn)(第二級(jí)鉆頭接觸刀具時(shí))發(fā)生劇烈突變。

圖7 臺(tái)階角度為180°的階梯鉆軸向力變化曲線和鉆削原理

為了進(jìn)一步研究第一級(jí)鉆頭直徑對(duì)軸向力的影響，采用單一變量法，設(shè)定第一級(jí)鉆頭的直徑分別為3mm，3.4mm，3.8mm，4.2mm，4.6mm，5.0mm，仿真得到軸向力的分布曲線見圖8。

圖8 不同鉆頭直徑的軸向力曲線(第一級(jí))

假設(shè)第一級(jí)鉆頭的加工階段為A階段，第二級(jí)鉆頭的加工階段為B階段。由圖可見，第一級(jí)鉆頭直徑越大，A階段的相對(duì)軸向力水平越大，B階段的相對(duì)軸向力水平越小。隨著第一級(jí)鉆頭的直徑增加，雖然整體的軸向力水平小于麻花鉆，但是不同直徑的階梯鉆無(wú)法對(duì)比軸向力對(duì)整體加工質(zhì)量的影響結(jié)果。因此，引入進(jìn)出口毛刺高度和孔邊應(yīng)力來(lái)反映第一級(jí)鉆頭直徑對(duì)加工質(zhì)量的影響。取最高毛刺高度方法見圖9。

圖9 毛刺的測(cè)量方法

根據(jù)毛刺高度的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，工件的抗拉強(qiáng)度為400～630MPa，材料厚度為10mm的工件，其毛刺允許高度為0.32～0.48mm。由表3可見，當(dāng)?shù)谝患?jí)鉆頭直徑為4.6mm時(shí)，其進(jìn)出口毛刺高度最低，且符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 出入孔處毛刺的最大高度

針對(duì)孔邊應(yīng)力進(jìn)行仿真研究，在可視化模塊中建立路徑，在半徑為3.25mm的圓弧上取3個(gè)點(diǎn)，繪制這三點(diǎn)在180°范圍內(nèi)應(yīng)力隨路徑的變化水平，得到的仿真結(jié)果見圖10。

圖10 殘余應(yīng)力沿路徑的分布情況

殘余壓應(yīng)力能夠有效提高材料的疲勞壽命，殘余拉應(yīng)力則起到相反的作用[10]，從圖中可以看出：第一級(jí)鉆頭直徑為3mm，3.4mm，3.8mm的階梯鉆加工的后孔邊壓應(yīng)力值較高，相對(duì)的拉應(yīng)力水平也較高；第一級(jí)鉆頭直徑為4.2mm，4.6mm，5mm的階梯鉆加工后的殘余應(yīng)力水平都較低，工件質(zhì)量相對(duì)較高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過ABAQUS仿真軟件對(duì)階梯鉆鉆削Ti6Al4V鈦合金的過程進(jìn)行仿真，得到麻花鉆和階梯鉆的臺(tái)階角度對(duì)應(yīng)力與軸向力的影響規(guī)律。

(1)相對(duì)于普通麻花鉆，階梯鉆能夠明顯改善鈦合金工件的殘余應(yīng)力情況；階梯鉆能夠改善鈦合金工件的排屑條件，減小鉆削力，可提高其孔壁質(zhì)量和表面質(zhì)量。

(2)隨著臺(tái)階角度增大，殘余應(yīng)力水平不斷變大，綜合來(lái)看，臺(tái)階角度為90°和130°的階梯鉆對(duì)殘余應(yīng)力的改善作用更明顯。180°的階梯鉆軸向力突變過大，會(huì)對(duì)工件表面和孔壁質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

(3)通過毛刺高度和孔邊應(yīng)力的變化分析，要想獲得較高的整體工件質(zhì)量，優(yōu)先選取第一級(jí)鉆頭直徑為4.6mm、臺(tái)階角度為90°的階梯鉆進(jìn)行鉆削。